Rui Su Yingke Zynq7015コアボード駆動式電気自動車がFSコンペティションで優勝
ynq7015コアボードフォーミュラレーシング
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全日本学生フォーミュラ大会は、世界最大のエンジニアコンテストです。 FPGAモジュールに基づく革新的な電気駆動システムのおかげで、スイスのチューリッヒにあるAMZ学生チームが競争に勝ちました。 AMZチームのレーシングカーには、Enclustra Mercury ZX5コアボード（ザイリンクスZynq 7015 SoCに基づく）に基づく4つのインバーターが装備されており、最速のラップタイムを実現します。
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フォーミュラカレッジの学生コンテストには毎年18のレースがあり、600を超える学生チームが参加しています。 AMZ（AkademischerMotorsportvereinZürich）レーシングチームは、スイス連邦工科大学チューリッヒ校とスイス応用科学大学ルツェルン校の学生で構成されています。このイベントの10年以上の歴史の中で、コンセプトの継続的な改善とFPGAコアボードモジュールの使用などの革新の導入電気駆動モーターを制御するために、電気自動車が1.513秒で0から100 km / hまで加速する世界記録を作成しました。競争力を確保するためには、レーシングカーのさまざまなコンポーネントを調整し、信頼性の高い高性能システムに統合する必要があります。AMZは、これを実現するためにほとんどのコンポーネントを独自に開発しました。

意欲的な道

アイガー（すべての車はスイスの山にちなんで名付けられています）のレースの目標は、レースでできるだけ多くのポイントを獲得することです。これは、最速のラップタイムに到達することによって達成されます。 AMZは、過去数シーズンのラップスピードシミュレーション、エネルギー計算、ログデータ分析を通じて、純粋にカスタマイズされた4輪駆動システム、炭素繊維強化ポリマー（CFRP）の単一ストレージ構造、計算流体力学（CFD）、および風による検証航空アセンブリと油圧サスペンション。

FPGAコアボードをベースにしたインバーター

AMZの歴史の中で、チームが電力システムのすべてのコンポーネントを独自に開発したのはこれが初めてです。最後に、EnclustraのFPGAコアボードに基づいてインバーターが開発されました。インバーターはリチウム電池の直流を三相交流に変換し、永久磁石同期モーターを作動させます。

4つの自社開発インバーターがそれぞれ1つのモーターを制御し、1つの自社開発ダイレクトトルク制御（DTC）モジュレーターがEnclustra Mercury ZX5コアボード（ザイリンクスZynq 7015システムオンチップに基づく）で動作します。 VHDLを使用すると、現在のモーター電流を推定し、10ナノ秒ごとに新しいスイッチ位置を計算できます。これは、マイクロコントローラーやDSPベースのシステムでは不可能です。
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カスタマイズされた1200ボルトのSiCMOSFETモジュールのオン抵抗はわずか10ミリオームです。独自に開発したスマートゲートドライバーを使用し、水冷に3D印刷された冷却フィンを使用して、導通損失とスイッチング損失を低減し、スイッチング速度を向上させ、上昇を低減します。時間39ナノ秒まで。コアボードに2つの追加の47ナノファラッドDC接続コンデンサを使用すると、電力ループのインダクタンスを減らすことができます。 6マイクロファラッドのセラリンクセラミックコンデンサと240マイクロファラッドのフィルムコンデンサを備えたハイブリッドDC回路を使用して、重量を減らし、DCリンク電圧リップルを減らします。 2つのPCBは、回路基板の面積を減らすためにトラクションシステムを接続するための1mmの銅製インレットで設計されています。モーターを制御するために、三相電流、DC接続電圧と電流、および相間電圧の測定は、最大100万サンプル/秒です。レゾルバは、モーターの現在の位置を決定するために使用されます。ギガビットイーサネットおよびCAN接続により、車とテストベンチ間の高速で安全な通信が保証されます。高度なカスタマイズのために、インバータソフトウェア全体が社内で開発されています。

Enclustra（Ruisu Yingke）Mercury Mercury ZX5SoCコアボード

処理装置はシステムオンチップ（SoC）を選択しました。ほとんどの場合、ベアSoCはBGAにパッケージ化されていますが、これははんだ付けが難しく、信号をチップに導くためにPCBの複数の層が必要です。 SoCには、メモリ、クロック、インターフェイス、複雑な電源など、多くの周辺機器も必要です。 Enclustra（Ruisu Yingke）Mercury ZX5 SoCコアボードは、上記のすべての機能を小型PCBで提供します。コアボードには、1GB DDR3L SDRAM、512MBナンドフラッシュ、イーサネットPHY、およびすべての電圧用の電源が含まれています。コアボードはバックプレーン上の回路に電力を供給することもでき、電力変換器の必要性を最小限に抑えます。
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豊富な計算能力

非常に低いレイテンシと高いリフレッシュレートが必要なため、変調器と周辺機器とのすべての通信はFPGAに実装されています。すべての主要な安全機能はFPGAに実装されています。過電流保護の遅延時間は最大1マイクロ秒、過電圧保護の遅延時間は最大2マイクロ秒です。 FPGAとプロセッサには多層冗長セーフティシステムが実装されており、プロセッサとFPGAは相互に監視し、不整合が発生するとインバータをシャットダウンします。

速度制御やトラクション制御などの一部の高度な制御は、ARM Cortex-A9プロセッサの一方のコアに実装されています。もう一方のコアは、車両制御ユニット（VCU）または制御コンピューターとの通信を担当し、データの記録を担当します。 。

高帯域幅インターフェース

コンパイルされたファームウェアとビットストリームはSDカードにコピーされ、インバーターバックプレーンに挿入されます。起動時に、ブートローダーはファームウェアをメモリにコピーし、ビットストリームをFPGA構造にロードします。

FPGAは、すべての電流測定を100万/秒（1MSps）のサンプリングレートで処理し、電圧測定を500,000 /秒（500 kSps）のレートで処理します。これらのコンポーネントには、SPIベースのプロトコルを介してアクセスします。モーターの位置は、33kSpsのパラレルインターフェースを備えたレゾルバによって測定されます。変調器によって直接使用されることに加えて、データは統合されたAXIPL-PS相互接続を介してプロセッサに送信されます。このテクノロジを使用すると、プロセッサは構成データを変更し、メモリアクセス命令を介してFPGAの値を読み取ることができます。

さらに、FPGA構造からMercuryZX5コアボードのDDR3RAMに直接アクセスすることもできます。このようにして、プロセッサを使用せずに大量のログデータをRAMに転送できます。次に、インバータがシャットダウンされる前に、オフライン分析のためにデータがSDカードに保存されます。

半導体と出力フィルタの温度は、SoCの内蔵XADCで測定され、プロセッサで直接使用されます。車内では、インバーターはCANインターフェースとVCUを介して処理システムに直接接続されています。テストベンチでインバーターを実行してコンピューターに接続するために、イーサネットインターフェイスが使用されます。

簡素化された電源

Mercury ZX5コアボードは、単一の5〜15V電源から電力を供給され、オンボードDC / DCコンバーターがすべての内部電圧を提供し、ボードで変換された電圧もコネクタに導かれます。これらの3.3Vおよび1.8Vは、インバーターバックプレーンのアナログおよびデジタル回路に電力を供給するために使用されます。上記の電源を備えているため、ユーザーがEnclustraをベースにコアボードを開発する際に、電源に必要な作業を最小限に抑えることができます。
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広範な設計サポート

モジュールの統合を簡素化するために、Enclustraは、ユーザーマニュアル、回路図、3Dモデル、PCBパッケージと差動I / O長さの表、および詳細なドキュメントに加えて、必要なすべてのハードウェア、ソフトウェア、およびサポート資料を提供します。始めるのは簡単です。このため、ピンキャリブレーションエラーのリスクが最小限に抑えられます。

Enclustraビルド環境（EBE）を使用して、ARMプロセッサと統合されたEnclustraSoCコアボードをコンパイルできます。これは非常にスムーズです。コアボードとボトムボードはグラフィカルインターフェイスを介して選択されます。その後、EBEは適切なビットストリーム、第1ステージのブートローダー（FSBL）、および必要なソースコードをダウンロードし、最後にBusyBoxに基づいてU-Boot、Linux、およびルートファイルをコンパイルします。システム。

Enclustraの無料のモジュール構成ツール（モジュール構成ツール、MCT）を使用すると、追加のハードウェアなしで、コアボードとバックプレーンをUSB経由で構成できます。ボトムボードのUSBコネクタを介して、ユーザーはコアボードのFPGAコアSPIフラッシュをプログラムし、コアボードのEEPROMを読み取り、周辺機器を構成できます。インバーターの開発中にAMZが遭遇した問題は、Enclustraのサポートにより迅速に解決できます。

次世代レーシングの進化

AMZの次世代レーシングMythenの新しいインバーターは、再びEnclustra MercuryZX5コアボードをベースにしています。この新しいタイプのインバーターにより、2つのMercuryZX5コアボード間の光ファイバー接続がレーシングカーで実現されます。このために、ギガビットトランシーバーが使用されます。小型のMarsMars ZX2コアボードもAMZによって評価されていますが、そのI / O数は需要を満たしていません。

Mythenドライブシステムの概念は、4つのインバーター（1つのインバーターが1つのモーター/ホイールを制御する）から2つのインバーター（各インバーターが2つのモーターを制御する）に変更されました。この新しいコンセプトにより、多くの補助回路を組み合わせることができ、複雑さが軽減され、貴重なスペースも節約されます。さらに、複数のモーターに作用するより高度な制御アルゴリズムを実装する可能性が広がります。

全日本学生フォーミュラについて

フォーミュラユニバーシティスチューデントコンペティションは、1981年に始まった世界最大のエンジニアコンペティションです。コンテストの目的は、将来のエンジニアに、電気自動車または石油自動車の開発、製造、組み立て、テスト、および競争を1年以内に紹介することです。勝者は必ずしも最速の車を持っているチームではありませんが、構造、パフォーマンス、財務計画、販売の議論の点で最高の組み合わせを持っているチームです。 2010年には、潜在的な若手エンジニアの育成、将来の技術（電気駆動システムなど）の準備、イノベーションプロセスの促進を目的として、競争委員会は電気自動車用の別の競争ユニットも開設しました。

Enclustraについて

Enclustraは、FPGA分野で世界をリードする企業の1つです。2004年にスイスで設立され、ザイリンクスの公式パートナーになりました。また、Intel FPGAゴールドソリューションプロバイダーおよび公式ラティスソリューションプロバイダーでもあり、FPGAコアボード/開発を提供しています。ボード、FPGA IPコア、およびフルスタック。現在、世界70か国以上で1600を超える顧客にサービスを提供しているデザインサービス。 2019年に正式に中国市場に参入し、完全子会社のRuisu Yingke（Shenzhen）Technology Co.、Ltd。を設立しました。設立当初は、中国の顧客により良いローカライズされたサポートとサービスを提供するためにローカルエンジニアチームが設立されました。 。